本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列制備及多參量傳感方法。

背景技術(shù)：

1、光纖光柵是一種通過(guò)紫外激光在光纖纖芯內(nèi)形成周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件，其通過(guò)反射特定波長(zhǎng)的光并透射其他波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的精確調(diào)控。光纖光柵廣泛應(yīng)用于航空航天、土木工程等各領(lǐng)域的溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等物理量傳感監(jiān)測(cè)，與光電傳感器、微電子機(jī)械傳感器相比具有無(wú)需接電、高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕及易于復(fù)用等優(yōu)勢(shì)。

2、隨著光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，光纖光柵在形狀傳感技術(shù)中的作用不斷體現(xiàn)出來(lái)。

3、在介入醫(yī)療領(lǐng)域，光纖光柵體積小、易于封裝，能夠在狹小的手術(shù)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)形狀傳感，精準(zhǔn)地將手術(shù)儀器或藥品送到需求部位。在航空航天領(lǐng)域，基于光纖光柵形狀傳感的智能飛機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)翼變化，提高飛機(jī)性能和安全性。在智能機(jī)器人領(lǐng)域，將光纖光柵布入機(jī)器人關(guān)節(jié)和機(jī)械臂，能夠通過(guò)光纖光柵形狀傳感進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和反饋控制。

4、多芯光纖是一種特種光纖，包含多個(gè)獨(dú)立纖芯，各纖芯可分別寫(xiě)入光纖光柵，通過(guò)監(jiān)測(cè)不同纖芯的光纖光柵波長(zhǎng)偏移，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變及振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，在形狀傳感領(lǐng)域多芯光纖光柵通過(guò)測(cè)量各纖芯因彎曲或形變導(dǎo)致的波長(zhǎng)變化差異，結(jié)合算法最終實(shí)現(xiàn)光纖的三維形態(tài)重構(gòu)。

5、然而，在上述檢測(cè)過(guò)程中，多芯光纖光柵的波長(zhǎng)受到溫度、應(yīng)變、形狀變化等多參量影響，導(dǎo)致溫度與應(yīng)變的交叉敏感效應(yīng)。這一效應(yīng)會(huì)顯著降低各參量傳感的準(zhǔn)確性，尤其在復(fù)雜溫變環(huán)境中，難以區(qū)分溫度和應(yīng)變對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)影響。現(xiàn)有技術(shù)雖嘗試通過(guò)雙參數(shù)矩陣解耦或引入?yún)⒖脊鈻叛a(bǔ)償溫度干擾，但仍存在解算復(fù)雜度高、空間分辨率受限等問(wèn)題。

6、針對(duì)上述多芯光纖在溫度、應(yīng)變、形狀等多參量檢測(cè)過(guò)程中的溫度與應(yīng)變的交叉敏感效應(yīng)，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)靈活補(bǔ)償溫度、有效抑制交叉敏感，進(jìn)而提升多芯光纖光柵形狀傳感精度成為亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本發(fā)明提出了一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列制備及多參量傳感方法，所述自由芯多芯光纖包括若干根由拉絲塔一體化在線制備而成的光柵陣列光纖，將若干根光柵陣列光纖的每組光柵固定于同一水平位置后通過(guò)多芯綁定系統(tǒng)復(fù)合形成一根多芯光纖，其中位于中性面上中心纖芯位置的光柵陣列光纖外部套有松套管，形成自由芯狀態(tài)。由于光纖光柵的溫度、應(yīng)變等各參量敏感性，自由芯多芯光纖光柵陣列能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、應(yīng)變、形狀等多參量的監(jiān)測(cè)，位于中心纖芯中性面位置的自由芯光纖光柵陣列受松套管保護(hù)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中不會(huì)受到應(yīng)力影響，只需監(jiān)測(cè)溫度變化，進(jìn)而可以通過(guò)自由芯光纖光柵陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)其他若干纖芯的溫度補(bǔ)償，有效抑制溫度與應(yīng)變的交叉敏感效應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列制備及多參量傳感方法，能夠依靠所述自由芯多芯光纖光柵陣列實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、形狀的多參量傳感，解決應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的溫度補(bǔ)償問(wèn)題、抑制交叉敏感并提供所述自由芯多芯光纖光柵陣列的制備及多參量傳感解調(diào)方案。

2、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、應(yīng)變、形狀多參量傳感的方法是基于自由芯多芯光纖光柵陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3、所述的自由芯多芯光纖光柵陣列，其特征在于，由若干根拉絲塔一體化在線制備而成的光柵陣列光纖復(fù)合而成，其中位于中性面上中心位置的光柵陣列光纖外部套有松套管，即為自由芯。其余若干根光柵陣列光纖均勻排布于自由芯外側(cè)，以對(duì)稱結(jié)構(gòu)排布。自由芯光纖光柵陣列與外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯的光纖光柵處于同一水平位置。自由芯光纖光柵陣列與外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯之間為固化膠。

4、所述的溫度、應(yīng)變、形狀多參量傳感實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，位于中性面上中心位置的自由芯光纖光柵陣列不受應(yīng)變影響，只受溫度影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的單參量測(cè)量；根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果可以直接對(duì)外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯上的光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償；外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯的波長(zhǎng)變化量經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后可以獲得應(yīng)變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)；再通過(guò)應(yīng)變與曲率的關(guān)系以及各個(gè)纖芯之間的幾何關(guān)系可以確定外側(cè)光纖光柵陣列上光柵所在位置的彎曲半徑和彎曲方向，據(jù)此得到光柵位置坐標(biāo)以實(shí)現(xiàn)形狀重構(gòu)。

5、具體包括如下步驟：

6、步驟一：所述的一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列實(shí)現(xiàn)溫度的傳感，其特征在于，處于中性面上中心纖芯位置的自由芯光纖光柵陣列在外部松套管的保護(hù)下不受應(yīng)變影響，其波長(zhǎng)變化只受溫度影響，波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系為：

7、（1）

8、其中為自由芯光纖光柵陣列第m個(gè)光柵的初始波長(zhǎng)，為自由芯光纖光柵陣列第m個(gè)光柵的波長(zhǎng)偏移量，為光纖熱膨脹系數(shù)，為光纖熱光系數(shù)，為第m個(gè)光柵位置的溫度變化量。監(jiān)測(cè)自由芯光纖光柵陣列第m個(gè)光柵的波長(zhǎng)變化，基于公式（1）得到第m個(gè)光柵位置的溫度變化量，由于自由芯多芯光纖光柵陣列各纖芯排列緊密，外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯第m個(gè)光柵位置處的溫度變化量與相同；記錄外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯上各光纖光柵的波長(zhǎng)變化，用于進(jìn)一步解算該處所受的應(yīng)變值。

9、步驟二：所述的一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的傳感，其特征在于，處于中性面上中心纖芯位置的自由芯光纖光柵陣列在外部松套管的保護(hù)下只受溫度影響而不受應(yīng)變影響，外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯的光纖光柵在實(shí)際監(jiān)測(cè)中受到溫度、應(yīng)變的雙重影響，溫度及應(yīng)變與光柵波長(zhǎng)的關(guān)系為：

10、（2）

11、其中為第n根纖芯第m個(gè)光柵的初始波長(zhǎng)，為第n根纖芯第m個(gè)光柵的波長(zhǎng)偏移量，為光纖彈光系數(shù)，為第n根纖芯第m個(gè)光柵位置的應(yīng)變值，為光纖熱光系數(shù)，為外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯的等效熱膨脹系數(shù)，對(duì)于所有外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯其系數(shù)相同，可以通過(guò)標(biāo)定獲得。為步驟一得到的第m個(gè)光柵位置的溫度變化量。根據(jù)以及外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯上光纖光柵的波長(zhǎng)變化解算出對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變值。

12、步驟三：所述的一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列實(shí)現(xiàn)形狀的傳感，其特征在于，用外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯的應(yīng)變值解算光柵所在位置的彎曲半徑及彎曲方向，關(guān)系公式為：

13、（3）

14、其中為第n根纖芯第m個(gè)光柵位置的應(yīng)變值，d為外側(cè)對(duì)稱的兩根纖芯之間的水平距離，為第n根纖芯第m個(gè)光柵位置的彎曲半徑，為彎曲方向與第一根纖芯的夾角，n為外側(cè)其他光纖光柵陣列纖芯的個(gè)數(shù)。將步驟二得到的第n根纖芯第m個(gè)光柵位置的應(yīng)變值代入公式3，得到(n-1)個(gè)方程，聯(lián)立這(n-1)個(gè)方程求解得到第n根纖芯第m個(gè)光柵位置處的彎曲半徑的值，以及彎曲方向與第一根纖芯夾角的值，其中第一根纖芯可以自由選擇，外側(cè)其他光纖光柵纖芯繼第一根纖芯逆時(shí)針排序。

15、步驟四：利用frenet-serret框架重構(gòu)光纖形狀，其特征在于，將自由芯多芯光纖光柵陣列看作一條位于笛卡爾坐標(biāo)下的空間曲線，以o點(diǎn)為原點(diǎn)，曲線的參數(shù)方程為。其中i、j、k為位置向量，s為弧長(zhǎng)，（0≤s≤l，l為自由芯多芯光纖光柵陣列總長(zhǎng)度）。在frenet-serret框架中t、n、b為三個(gè)單位矢量，分別為空間曲線的切線軸、法線軸和副法線軸矢量，且。自由芯多芯光纖光柵陣列各位置處的彎曲和扭曲可用t、n、b表示，t的轉(zhuǎn)動(dòng)角為k(s)，b繞弧長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)率即為撓率。t、n、b之間的關(guān)系為：

16、（4）

17、（5）

18、其中，、為x，y軸的單位向量，，k(s)為該光柵點(diǎn)位置處的曲率向量、和為曲率向量在x、y軸的分量，d為外側(cè)其他纖芯光纖光柵到中間自由芯光纖光柵的距離。設(shè)置邊界條件、、、、、后代入上式，迭代可得各光纖光柵點(diǎn)所在位置處的單位t、n、b及光纖光柵點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)t(s)進(jìn)行逆向積分

19、（6）

20、最終得到三維曲線r(s)即為自由芯多芯光纖光柵陣列的形狀重構(gòu)曲線。

21、本發(fā)明所述的一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列其制備方法包括以下步驟：

22、步驟一：選擇1根套有松套管的光柵陣列光纖（1），若干根光柵陣列光纖（2），送纖裝置（3），多芯綁定裝置（4），涂敷杯（5），固化爐（6），收纖裝置（7）；

23、步驟二：將若干根光柵陣列光纖和1根套有松套管的光柵陣列光纖放置在送纖裝置中，由送纖裝置勻速同時(shí)送出若干根光柵陣列光纖和1根套有松套管的光柵陣列光纖，將若干根光柵陣列光纖的每組光柵位置確定于同一水平位置后進(jìn)入多芯綁定裝置，多芯綁定裝置具有若干個(gè)小孔，將套有松套管的光柵陣列光纖經(jīng)中心孔洞送出，以保證復(fù)合時(shí)自由芯處于中性面上中心位置，其余光柵陣列光纖每根對(duì)應(yīng)一個(gè)中心孔洞周?chē)男】?，套有松套管的光柵陣列光纖和其余光柵陣列光纖同時(shí)從小孔送出后穿入涂敷杯；

24、步驟三：涂敷杯內(nèi)灌膠，若干根光柵陣列光纖和1根套有松套管的光柵陣列光纖經(jīng)過(guò)涂敷杯涂膠后經(jīng)過(guò)固化爐最終形成一根基于自由芯的多芯光纖光柵陣列；

25、步驟四：基于自由芯的多芯光纖光柵陣列通過(guò)收纖裝置收成一盤(pán)以備后續(xù)使用。

26、本發(fā)明所述的一種基于自由芯的多芯光纖光柵陣列多參量傳感方法其解調(diào)方案具有以下特征：

27、具有多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1），具有長(zhǎng)距離的弱光柵解調(diào)儀（2），具有上位機(jī)及解調(diào)軟件（3），通過(guò)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接所述基于自由芯的多芯光纖光柵陣列的多個(gè)纖芯，將采集回來(lái)的數(shù)據(jù)接入長(zhǎng)距離弱光柵解調(diào)儀，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離的自由芯多芯光纖光柵陣列各纖芯上光柵點(diǎn)的波長(zhǎng)信息進(jìn)行解調(diào)。呈現(xiàn)出各光柵點(diǎn)的波長(zhǎng)信息，將波長(zhǎng)信息傳入上位機(jī)及解調(diào)軟件，能夠?qū)⒉ㄩL(zhǎng)信息轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、光柵位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行形狀重構(gòu)。

28、本發(fā)明的有益效果為：

29、1、所述自由芯多芯光纖光柵陣列由一根外部套有松套管的光柵陣列光纖和若干根光柵陣列光纖復(fù)合而成，外部套有松套管的光柵陣列光纖位于中性面上中心纖芯位置為自由芯狀態(tài)，不受應(yīng)變影響。在實(shí)際應(yīng)用中，自由芯只受溫度影響，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的單變量監(jiān)測(cè)并對(duì)其他若干纖芯進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其他若干纖芯的波長(zhǎng)變化量經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后可以推算出應(yīng)變量以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。通過(guò)應(yīng)變與曲率的關(guān)系以及各個(gè)纖芯之間的幾何關(guān)系可以確定光柵所在位置的彎曲半徑和彎曲方向，據(jù)此得到光柵位置坐標(biāo)以實(shí)現(xiàn)形狀重構(gòu)?；诖耍龅淖杂尚径嘈竟饫w光柵陣列可以實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、形狀的多參量傳感。

30、2、自由芯光纖由于松套管保護(hù)且位于多芯光纖的中性面位置，在實(shí)際檢測(cè)中不受應(yīng)力影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度這一單一變量的檢測(cè)，數(shù)據(jù)值準(zhǔn)確、直接。同時(shí)無(wú)需增加其他復(fù)雜光纖鏈路或是放置冗余光纖光柵即可在實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)的同時(shí)對(duì)其他纖芯進(jìn)行溫度補(bǔ)償，簡(jiǎn)便快捷且布設(shè)簡(jiǎn)單。

31、3、所述基于自由芯的多芯光纖光柵陣列其制備裝置簡(jiǎn)單易操作，能夠完成多芯光纖的定制化，多芯光纖纖芯數(shù)可定制，所選擇的基于拉絲塔在線一體化制備的光柵陣列光纖可以自由選擇光柵波長(zhǎng)、光柵間距等參數(shù)。通過(guò)多芯綁定代替了在已有多芯光纖上刻?hào)诺亩嘈竟饫w光柵陣列制備方法，無(wú)需逐點(diǎn)纖芯定位刻?hào)?，避免單模光纖與多芯光纖之間耦合產(chǎn)生的損耗，大大降低了多芯光纖光柵陣列的制備成本，保證了光柵一致性和刻寫(xiě)效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本高效率的工業(yè)化生產(chǎn)需要，滿足工業(yè)化制備條件。